Разработка защитного покрытия на основе нитрида титана для снижения водородопроницаемости циркониевого сплава Zr-1%Nb

Разработаны защитные покрытия на основе нитрида титана (TiN), содержащие промежуточный слой, имплантированный титаном, для защиты циркониевого сплава Zr-1%Nb от проникновения водорода. Проанализировано изменение структуры покрытий и распределения элементов по глубине в зависимости от параметров осаждения и наводораживания методами рентгеноструктурного анализа и оптической эмиссионной спектрометрии плазмы тлеющего разряда соответственно. Проанализирована динамика изменения скорости поглощения водорода циркониевым сплавом Zr-1%Nb с нанесенными покрытиями TiN. Кроме того, предложены методики формирования промежуточного слоя, состоящего из титана или имплантированного ионами титана, приводящие к повышению термической стойкости и адгезионной прочности покрытий наряду с повышением эффективности защиты циркониевого сплава от проникновения водорода. Установлены закономерности поглощения водорода циркониевым сплавом Zr-1%Nb с покрытиями нитрида титана, осажденными методами магнетронного распыления (МР) и вакуумно-дугового осаждения (ВДО) с фильтрацией плазменного потока от микрокапельной фракции. Определены зависимости скорости поглощения водорода циркониевым сплавом с покрытием TiN от технологических параметров осаждения: давления и соотношения газов (Ar/N₂). Повышение рабочего давления в камере от 0,15 до 0,8 Па при магнетронном осаждении покрытий TiN приводит к повышению скорости поглощения водорода при температурах 350 - 450°С. Скорость сорбции водорода циркониевым сплавом с покрытием TiN, полученным методом МР, снижается более чем на порядок величины при увеличении толщины покрытия от 0,4 до 1,5 мкм, однако адгезионные свойства покрытий ухудшаются. Покрытия нитрида титана, осажденные методом ВДО, обладают более плотной структурой в сравнении с покрытиями МР, что повышает их эффективность защиты от проникновения водорода.Разработаны методы повышения адгезионной прочности покрытий TiN на подложках Zr-1%Nb, основанные на формировании переходного слоя титана или плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) титана. Изучены динамика проникновения и захват водорода циркониевым сплавом, подвергнутым ПИИИ титана. Формирование переходного слоя, имплантированного ионами титана, позволяет повысить стойкость покрытий TiN при термическом циклировании и создать аккумулирующий слой, способный к эффективному захвату диффундирующего водорода. Установлено, что комплексная модификации поверхности, включающая имплантацию титана и осаждение покрытий TiN толщиной 450 нм снижает скорость поглощения водорода сплавом Zr-1Nb более чем на порядок величины. Наименьшее значение скорости сорбции водорода при температуре 400°С составило 1,8 × 10⁻⁵ см³ H₂/(см²с) при последовательной ПИИИ титана и осаждении TiN методом ВДО. В свою очередь, сформированный имплантированный слой обеспечивает захват диффундирующего через TiN водорода и обеспечивает адгезионную стойкость покрытий в условиях газофазного наводораживания при температуре 350 - 400°С.